보행 보조를 위한 줄꼬임 변속기 기반 모터-발전기 시스템 설계

Abstract

인간의 보행 주기 동안 무릎 관절이 하는 일은 추진을 위해 가속하는 양의 일과 제동을 위해 감속하는 음의 일로 구분되고 반복된다. 무릎 관절의 추진 또는 제동의 보조가 가능한 보행 보조용 웨어러블 장치에 관한 연구는 독립적인 개념으로 진행되어왔다.

본 논문에서는 보행 주기 동안 무릎 관절의 추진 토크와 제동 토크를 보조할 수 있는 줄꼬임 변속기 기반 모터-발전기 시스템을 제안한다. 줄꼬임 변속기는 모터의 회전을 통해 줄을 꼬아줌으로써 줄 끝단에 연결된 하중의 선형 운동을 유발하는 기어비가 높은 구동기이다. 가볍고 유연하며 간결한 특징으로 인해 보행 보조용 웨어러블 장치에 적합한 줄꼬임 변속기는 높은 기어비를 통해 무릎 관절의 추진과 제동 토크를 모두 효과적으로 증폭시킬 수 있다. 시스템에는 제동 토크를 보조하면서 생산되는 전력으로 추진 토크를 보조하는 에너지 회수의 원리를 적용하였다.

제안된 시스템에서 무릎 관절은 줄꼬임 변속기를 통해 모터와 발전기에 연결되고, 유각기 무릎 펴짐 구간 이후 발전기를 줄꼬임 변속기로부터 분리하기 위해 발전기 축에 원웨이 클러치 베어링을 결합하였다. 모터는 유각기 무릎 굽힘 구간과 입각기 무릎 굽힘 구간에서 무릎 관절 토크에 비례하는 추진 보조 토크를 발생하고, 발전기는 유각기 무릎 펴짐 구간에서 발생하는 부하 토크를 통해 무릎 관절의 제동 토크를 보조하면서 발전기에 생성되는 역기전력을 통해 전력을 생산한다.

시스템의 목표 성능은 추진을 위한 무릎 관절 토크의 30%를 만족하는 추진 보조 토크, 제동을 위한 무릎 관절 토크의 60%를 만족하는 제동 보조 토크 그리고 입력 전력에 대한 출력 전력의 비로 계산되는 시스템의 효율을 50%로 설정하였다. 수학적 모델에 기반한 설계 변수 분석을 통해 각각의 설계 변수가 시스템 성능에 어떤 영향을 주는지 파악하였고, 시스템의 목표 성능을 만족하는 설계 변수인 줄의 길이, 줄 사이의 반경, 줄의 반경 그리고 줄꼬임 변속기의 초기 꼬임량을 선정하였다. 마지막으로, 줄꼬임 변속기 기반 모터-발전기 시스템의 테스트베드를 제작하였고 목표 성능 검증을 위한 실험을 통해 생체역학 웨어러블 장치에 적용할 수 있는 구동 메커니즘에 관해 본 연구에서 제안한 시스템의 실효성을 검증하였다.